DBD等离子体臭氧发生器电极介电层注塑包覆技术：汽车应用的创新解决方案

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Insert overmoulding of the dielectric-coated electrodes of a DBD plasma ozone generator: Proof-of-concept for automotive applications

本文推荐一项针对车载臭氧发生器电极介电层制造技术的研究。为解决传统无机介电材料脆性大、聚合物材料耐等离子体腐蚀性差的问题，研究人员开发了基于注塑包覆的PVDF/Al2O3复合介电层制备工艺，实现了在潮湿空气中稳定运行24小时（O3产量0.0155 g·min-1，能效57 g·kWh-1），为汽车发动机燃烧优化提供了可靠技术路径。

　　

随着全球对汽车排放标准日益严格，提升内燃机燃烧效率已成为汽车工业的重要课题。研究表明，向进气中添加臭氧（O₃）能显著改善点火时机和燃烧动力学，尤其对高压缩比发动机和超稀薄燃烧技术具有重要价值。然而臭氧极不稳定的特性要求其必须现场制备，这对车载臭氧发生器提出了特殊挑战：需要具备处理潮湿进气的能力、模块化设计以适应不同工况、优异的机械化学耐久性以及成本可控的批量生产能力。

传统介电屏障放电（DBD）臭氧发生器多采用氧化铝、玻璃等无机介电材料，虽然耐腐蚀性优异但脆性大，难以承受车载环境的机械振动。而聚四氟乙烯（PTFE）等聚合物虽具可加工性，但成本高昂且加工难度大。聚偏氟乙烯（PVDF）作为高性能氟聚合物，兼具良好介电性能和化学稳定性，但其在长期等离子体暴露下的耐久性仍有待验证。

针对这一技术瓶颈，意大利国家研究委员会的研究团队在《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》发表论文，提出了一种基于注塑包覆技术的电极介电层创新制备方法。研究人员设计开发了针对不锈钢管状电极的注塑包覆工艺，通过单因素优化法确定了模具温度（65°C）、料筒温度（210-230°C）等关键参数，成功制备出厚度1毫米的纯PVDF及PVDF/氧化铝（Al₂O₃）复合介电层。该技术通过精确控制径向收缩率（3.3%），实现了介电层与电极的完美贴合，为批量化生产奠定了工艺基础。

关键技术方法包括：1）采用注塑包覆技术制备电极介电层；2）通过DBD等离子体反应器评估臭氧产生性能；3）利用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和白光垂直扫描干涉仪（WLVSI）进行材料表征；4）使用高压交流电源（20 kHz，10 kV_pp）激发等离子体；5）通过紫外吸收臭氧分析仪实时监测臭氧浓度。

注射包覆成型工艺优化研究

通过单因素优化法系统调整工艺参数，成功实现直径8.06±0.01毫米的介电层精确包覆。模具设计特别考虑了PVDF材料1.6-3.0%的径向收缩率，通过预留补偿腔体确保涂层均匀性。实验证明该工艺具有高度重复性，为工业化生产提供可靠技术支撑。

介电涂层电极臭氧产生性能测试

在20标准升/分钟空气流量、16.5瓦功率条件下，两种电极在干燥空气中均实现稳定臭氧输出（0.015-0.016 g·min^-1）。PVDF/Al₂O₃复合电极表现出更优的耐久性，连续运行24小时性能无衰减，而纯PVDF电极在12小时后出现介质击穿。在湿度60%的潮湿空气中，臭氧产率下降约50%，这与水蒸气对等离子体反应的抑制作用相符。

材料表征分析

ATR-FTIR光谱显示等离子体暴露导致PVDF中CH₂与CF₂基团比例下降，表明聚合物链发生氧化。WLVSI分析表明PVDF/Al₂O₃复合材料表面形成氧化铝富集保护层，表面粗糙度稳定在3400纳米左右，有效抑制了等离子体蚀刻的进一步发展。

本研究证实注塑包覆技术可制备高性能DBD电极介电层，其中PVDF/Al₂O₃复合材料展现出的长期稳定性，为车载臭氧发生器的实际应用提供了关键技术支撑。该工艺兼具成本效益与规模化生产潜力，不仅解决了汽车领域特定需求，更为等离子体技术在其他工业应用中的电极设计提供了新的技术路径。通过材料改性与制造工艺的创新结合，研究团队为高性能等离子体器件的开发开辟了新的方向。